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Die Mobilfunktechnologie NR (New Radio) oder 5G gilt als Schlüssel für den Erfolg kommender Zukunftstechnologien wie autonomes Fahren, virtuelle Realität und Industrie 4.0. Sie ermöglicht die Übertragung gewaltiger Datenmengen und die Vernetzung von Milliarden von Geräten praktisch in Echtzeit.

Wieso braucht es 5G?

Die Ideen von sogenannten Smart Cities, einem völlig vernetzten automatisierten Verkehr, vernetzten Haushaltsgeräten, Smart Homes und ein intelligentes Energiemanagement können nur mit effizienter Datenübertragung verwirklicht werden. Die fünfte Mobilfunkgeneration könnte hier Abhilfe schaffen, zumal gemäss der Forschungsstiftung Strom- und Mobilkommunikation (FSM) bei anhaltend stark wachsendem Datenvolumen die vierte Generation (4G) in einigen Jahren an ihre Kapazitätsgrenzen stossen wird.[1] So werden heute in einem halben Tag so viele Daten übermittelt, wie noch vor fünf Jahren in einer Woche. 5G kann dank des technischen Fortschritts bei der Signalübertragung Daten rund hundert Mal schneller transportieren als das aktuelle 4G.

So konnten die Download-Raten seit der Einführung des GSM (Global System for Mobile Communications) oder der zweiten Mobilfunkgeneration in den 1990er Jahren – damals gab es erstmals den Kurznachrichtendienst SMS (Short Message Service) – zum heutigen 4G+ bereits um den Faktor 20’000 erhöht werden. Während 3G im Jahr 2000 das Internet aufs Mobiltelefon brachte, ermöglichte 4G ab 2010 erstmals breitbandige Internetverbindungen für Multimediaanwendungen auf dem Smartphone.[2] Nun stossen diese Technologien jedoch an ihre Grenzen. Mit 5G sind theoretisch Downloadraten von bis zu 10 Gbit/s möglich. Das ist gemäss der FSM nochmals zwei bis zehnmal schneller als aktuelle Up- und Download-Geschwindigkeiten. 4G kommt auf eine Bandbreite bis zu 150 Megabit pro Sekunde, mancherorts sind heute bereits bis zu 300 Mbit/s möglich. Das weiterentwickelte 4G+ soll sogar Geschwindigkeiten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde liefern.

Abbildung 1: Download-Raten, in kbit/s

Quelle: Forschungsstiftung Strom und Mobilkommunikation, Credit Suisse[3]

Ein weiterer Vorteil von 5G liegt in der kurzen Latenzzeit (Abbildung 2), was für neue Anwendungen wie selbstfahrende Fahrzeuge absolut wichtig ist. Damit ist die Zeitspanne zwischen einem Ereignis und einer Reaktion gemeint. Bei 4G-Netzen sind es 5 bis 10 Millisekunden. Mit 5G sinkt die Reaktionszeit auf rund eine Millisekunde. Das ermöglicht eine praktisch verzögerungsfreie Kommunikation in Echtzeit. 

Abbildung 2: Latenzzeit je Mobilfunkstandard, in Millisekunden

Quelle: Forschungsstiftung Strom und Mobilkommunikation (emf.ethz.ch), Credit Suisse

Nebst der deutlich höheren Kapazität und geringeren Latenzzeit, sind beim 5G Standard wie beim heutigen 4G ebenfalls der Betrieb mit Mehrfachantennen möglich. Neu kommen das «Beamforming» und «Slicing» hinzu. Beim Beamforming wird die Abstrahlcharakteristik des Funksignals geändert. Solche adaptiven Antennen sind in der Lage, das Signal gezielt in die Richtung des Nutzers bzw. des Mobilfunkgerätes zu fokussieren, womit sich das Signal-Rausch-Verhältnis und die Stabilität verbessern und die maximal erreichbare Datenrate zunimmt. Das Network-Slicing (Stückelung) ermöglicht die Etablierung von untereinander autonomer und getrennter virtueller Netze für spezifische Kundengruppen, Dienstleistungen oder Marktsegmente (zum Beispiel das Internet der Dinge [IoT]) auf Basis einer geteilten physischen Netzinfrastruktur. Mit 5G können im Vergleich zu heute 100-mal mehr Endgeräte gleichzeitig angeschlossen werden, wodurch bis zu einer Million Gegenstände pro km2 vernetzt werden können. 5G-Netze stellen im Bereich der mobilen Kommunikation somit eine Revolution dar, da sie die Türen zu neuen Anwendungsbereichen öffnen, insbesondere im Bereich des Internets der Dinge, der Kommunikation zwischen Maschinen (M2M), der Ultra-Breitband-Anwendungen und der selbstfahrenden Autos.[4]

Je nach Anwendung (Abbildung 3) reicht für das Internet der Dinge bereits der 4G-Mobilfunkstandard, etwa wo eine grosse Anzahl von Geräten miteinander kommunizieren, jedoch wenig komplexe und nicht zeitkritische Prozesse berechnet und ausgeführt werden müssen. Mit steigendem Datendurchsatz und geforderter minimalster Latenzzeit wird jedoch der 5G-Standard unausweichlich. Im jüngsten Report von Ericsson geht man davon aus, dass im Jahr 2024 rund 45 % der Anwendungen auf «Massive IoT» und 35 % auf «Breitband-IoT» entfallen werden und damit 80 % mit dem aktuellen 4G-Standard betrieben werden können. Für zeitkritische Anwendungen mit tiefen geforderten Latenzzeiten und maximalen Systemsicherheitsanforderungen wie dem autonomen Fahren oder komplexer industrieller Prozesse in Fast-Echtzeit würde es jedoch 5G brauchen.[5] An dieser Stelle sei angemerkt, dass schon heute selbstfahrende Autos ohne 5G unterwegs sind. Diese nutzen andere Techniken wie Kameras und Laser.[6]

Abbildung 3: Anwendungsbereiche für das Internet der Dinge

Quelle: Ericsson, Credit Suisse 

Marktwachstumsprognosen für 5G

5G befindet sich in der Markteinführungsphase. Erste 5G-Geräte sind bereits am Markt, und die ersten Mobilfunkanbieter beginnen mit dem Netzausbau. Ericsson rechnet bis Ende 2024 (Abbildung 4) mit 1,9 Milliarden 5G-Anschlüssen, was einem Anteil von 20 % aller Mobilfunkanschlüsse entsprechen würde. 4G dürfte mit 5 Milliarden Abonnenten Ende 2024 zwar immer noch der dominante Standard sein, den Zenit jedoch bereits überschritten haben.[7] 

Abbildung 4: Mobile Anschlüsse weltweit nach Mobilfunkstandard, in Milliarden

Quelle: Ericsson Mobility Report, June 2019, Credit Suisse[8]

Der mobile Datenverkehr dürfte bis zum Jahr 2024 von 28 auf 131 Exabyte[9] pro Monat (EB/Mt.) steigen, was einem jährlichen Anstieg von 30 % entspricht. Der Anteil der 5G-Geräte am mobilen Datenverkehr dürfte sich dabei auf 35 % belaufen. 

Welche Investitionen sind notwendig?

Wieviel ein Netzausbau auf 5G-Standard kostet, kann nur grob abgeschätzt werden. Schätzungen für die Schweiz gehen von gut EUR 6.5 Mia. aus. Nebst den notwendigen zusätzlichen Funkantennen schlagen auch die Lizenzen zu Buche. So haben die drei Anbieter im Februar 2019 für EUR 350 Mio. zusätzliche Mobilfunkfrequenzen (700 MHz, 1’400 MHz und 3’500 MHz) für die Dauer von 15 Jahren ersteigert. 

In Deutschland ist die Versteigerung der Frequenzbereiche von 2 GHz und 3,6 GHz bei einer Summe von EUR 6,6 Mia. im Juni 2019 zu Ende gegangen. Geboten haben 1&1 Drillisch, Telefónica, Telekom und Vodafone. Bislang stehen in Deutschland rund 70’000 Funkmasten, die über viele Jahre hinweg aufgebaut wurden.[10] Für die flächendeckende Versorgung bräuchte es weitere neu zu errichtende Funkzellen, was weitere Milliardensummen beanspruchen würde, kostet doch jeder einzelne 5G-Mast im Durchschnitt mehr als EUR 100’000. Da mit steigender Frequenz die Reichweite sinkt, würden Frequenzbänder im Bereich von 24 bis 86 GHz ein dichtes Netz im Abstand von wenigen hundert Metern bedingen.

In den USA könnten gemäss einer Studie von Accenture für den 5G-Standard gesamthaft EUR 250 Mia. investiert werden[11]. Gleichzeitig dürften rund drei Millionen Arbeitsplätze rund um diese neue Technologie geschaffen werden. In einer weiteren Studie schätzt Ericsson, dass im Jahr 2022 bereits über 500 Millionen 5G-Mobilfunkgeräte im Umlauf sein könnten.[12] Eine Prognose des Netzwerkherstellers Cisco besagt, dass in geraumer Zeit im Internet der Dinge weltweit rund 50 Milliarden Geräte, vom Temperatursensor bis zu selbstfahrenden Fahrzeugen, mit dem Internet verbunden sein werden.[13]

Von der 5G-Technik tangierte Unternehmen 

5G tangiert weltweit sowohl die Betreiber als auch Hard- und Softwareunternehmen. So ist mit einer Verdichtung der Kommunikationsinfrastruktur vorab in den Städten mit kleinen Funkzellen, also Stationen mit geringer Ausgangsleistung zu rechnen, da auf höhere noch freie Frequenzbereiche ausgewichen werden muss. Ferner fallen Investitionen durch die Anbindung der Antennen an das Kernnetz zumeist via Glasfasernetz, durch die Aufrüstung der Antennen mit der neusten Generation von Radio Access Network (RAN) und der Anpassung der Software für das Internet der Dinge an. Ferner muss der gestiegene Verbraucherdatenpegel in Datenzentren gebündelt werden. Die folgende Aufzählung der Credit Suisse zeigt eine Auswahl der an der Entwicklung von 5G beteiligten Unternehmen für den amerikanischen Markt:[14] 

- Netzwerkausrüster: Nokia, Ericsson, Huawei, Cisco, CommScope etc.[15] 

- Betreiber von Funkantennen: American Tower, Crowne Casle, SBA

- Anbieter von Glasfasernetzen: Zayo, GTT, Cogent, Uniti, Lightower etc.

- Telekommunikationsunternehmen: Verizon, AT&T, Sprint, T-Mobile

- Software-Anbieter mit Fokus auf NFV (Network Function Virtualization): Cisco, Juniper Networks, Amdocs etc.

- Betreiber von Datacenter mit Mehrfachbenutzung: Equinix, Digital Realty etc.

- Anbieter von Datenwolken: Amazon, Google, Microsoft, IBM, Oracle

- Edge-Datacenter: Vapor IO, EdgeMicro etc.

Schlussbemerkungen

5G wird die Welt abermals verändern. Länder wie die USA, Südkorea, Japan und China, aber auch diverse europäische Länder haben 5G bereits eingeführt. Allein, dass China diese Technologie auf ihrem 13. Fünfjahresplan prominent aufgeführt hat, hat einen globalen Wettlauf um die schnelle Einführung ausgelöst. Allerdings gibt es derzeit nur wenige Endgeräte. Der eigentliche Boom dürfte somit erst dann einsetzen, wenn preislich erschwingliche Geräte auf den Markt kommen werden. Trotz der grossen Euphorie rund um 5G gibt es nebst finanziellen Aspekten auch sicherheitstechnische Bedenken oder Einwände wegen der möglichen gesundheitsschädigenden Auswirkungen der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung. 

Die EU-Kommission erachtet es als dringend notwendig, die bestehenden Sicherheitsvorschriften von 5G-Netzen zu überprüfen und zu stärken, damit sie der strategischen Bedeutung der 5G-Netze sowie der Entwicklung der Bedrohungslage und der wachsenden Zahl und Komplexität von Cyberangriffen gerecht werden. Gemäss der Kommission ist 5G eine Schlüsselkomponente der Wettbewerbsfähigkeit Europas auf dem Weltmarkt. Sie geht davon aus, dass mit der 5G-Technik im Jahr 2025 Umsätze mit einem Gegenwert von EUR 225 Mia. erreicht werden.[16] Um diese Ziele zu erreichen, sind laut der EU-Kommission in den nächsten zehn Jahren Investitionen in Höhe von rund EUR 500 Mia. notwendig, die vor allem von privater Seite aufgebracht werden müssten. 

Die Mobilfunkbetreiber tragen die finanzielle Hauptlast mittels Konzessionen und Ausrüstungsinvestitionen. In Europa starteten im ersten Halbjahr 2019 elf Betreiber aus sieben Ländern ihr 5G-Dienste. Gemäss einer Übersicht der Credit Suisse verlangen die meisten Betreiber derzeit einen Aufpreis gegenüber dem 4G-Netzzugang von EUR 5 bis14 pro Monat, was dem damaligen Aufpreis bei der Ablösung von 3G durch 4G entsprach.[17] Damals konnten die europäischen Netzbetreiber ihren Umsatzschwund von –1 % aus dem Jahr 2014 in ein Wachstum von +6 % im Jahr 2015 ummünzen. Es ist derzeit allerdings fraglich, ob für 5G-Abonnemente Ende 2020 noch eine Prämie bezahlt wird, zumal bereits heute einige Anbieter darauf verzichten.

Im Gegensatz zu den Ländern in Europa oder Asien bieten die amerikanischen Betreiber ihre Dienste primär in den Hochfrequenzbereichen von 28 bzw. 39 GHz an. Das für 5G wichtige Spektrum zwischen 3,7 GHz und 4,2 GHz, auch bekannt als C-Band, wurde in den USA bereits langfristig an die Satellitenbetreiber (Intelsat, SES, Telesat) vergeben. Diese wären jedoch bereit, innerhalb von 36 Monaten, von den verfügbaren 500 MHz in einer Bieterauktion 200 MHz für die 5G-Nutzung abzugeben. Dieser Umnutzung müsste die staatliche Kommunikationsbehörde (Federal Communications Commission) allerdings noch zustimmen.[18]

Bisher wurde im Durchschnitt alle zehn Jahre eine neue Netztechnologie eingeführt. Mit der Einführung von 6G wäre demnach im Jahr 2029 zu rechnen.